磁性編碼器結構及工作原理

文章來源：http://www.9944342.com/  發布時間：2019/04/24    點擊數： 　　如果有機會拆開一只磁性旋轉編碼器，通常會看到類似下圖這樣的內部結構。與一般的編碼器（或Resolver）相比，磁性編碼器有著相同的機械軸與外殼結構，但同時其位置檢測機構卻又顯得非常簡單，僅僅是安裝在機械軸末端跟隨軸旋轉的一塊小磁鐵和編碼器尾部的一塊PCB線路板而已。磁性編碼器是用用測量角度位移速度距離的新型傳感器裝置，今天我們一起來了解一下磁性編碼器結構及磁編碼器工作原理。
　　磁性編碼器結構

　　磁性編碼器主要部分由磁阻傳感器、磁鼓、信號處理電路組成。將磁鼓刻錄成等間距的小磁極，磁極被磁化后，旋轉時產生周期分布的空間漏磁場。磁傳感器探頭通過磁電阻效應將變化著的磁場信號轉化為電阻阻值的變化，在外加電勢的作用下，變化的電阻值轉化成電壓的變化，經過后續信號處理電路的處理，模擬的電壓信號轉化成計算機可以識別的數字信號，實現磁旋轉編碼器的編碼功能。

　　磁鼓充磁的目的是使磁鼓上的一個個小磁極被磁化，這樣在磁鼓隨著電動機旋轉時，磁鼓能產生周期變化的空間漏磁，作用于磁電阻之上，實現編碼功能。磁鼓磁極的個數決定著編碼器的分辨率，磁鼓磁極的均勻性和剩磁強弱是決定編碼器結構和輸出信號質量的重要參數。

　　磁阻傳感器是磁阻敏感元件做成，磁阻器件可以分為半導體磁阻器件和強磁性磁阻器件。為了提高信號采樣的靈敏度，同時考慮到差動結構對敏感元件溫度特性的補償效應，一般在充磁間距λ內，刻蝕2個位相差為丌／2的條紋，構成半橋串聯網絡。

　　同時，為了提高編碼器的分辨率，可以在磁頭上并列多個磁阻敏感元件，在加電壓的情況下，磁阻元件通過磁鼓旋轉輸出相應正弦波。其原理可簡單解釋：磁鼓產生NS的磁場作圓周運動,磁阻元件做成的傳感器隨磁場變化電阻也隨之變化，并感測出SinA，SinB兩個電壓波形。磁阻傳感器的構造如圖，由8個磁阻分為兩組相距1/4 NS間距。在Mr1，Mr2與Mr3，Mr4的接點處可檢出Sin電壓波形，同樣原理在Mr1‘，Mr2‘與Mr3‘，Mr4‘的接點處可檢出SinB電壓波形。

　　從磁阻傳感器輸出的兩路波形信號處理電路：SinA，SinB信號到達信號處理電路后，為了能在cpu取樣的范圍內，需對波形進行調整。首先AB相信號需先做DC電壓準位調整，使AB相信號直流準位位于DSP A/D取樣電壓范圍的中點，且振幅不超過取樣電壓范圍，AB相信號再經過模擬濾波器及數字濾波器，將高頻及諧波濾除后，通過DSP高速運算能力實時地將計算出位置和速度；另外還有一種處理方法是將SinA、SinB信號直接通過信號處理電路轉換成方波后再進DSP。后者可能軟件處理起來更方便一些。

　　磁編碼器工作原理

　　磁編碼器是一種新型的角度或者位移測量裝置，其原理是采用磁阻或元件對變化的磁性材料的角度或者位移值進行測量，磁性材料角度或者位移的變化會引起一定電阻或者電壓的變化，通過單片機處理后輸出脈沖信號或者模擬量信號，達到測量的目的。同心碼道從磁編碼器碼盤的中心出發，向外擴展直到碼盤外部，每一層碼道都比其內層多了一倍的分區。第一層只有一個透光扇區和一個不透光扇區，位于中心的第二層就具有兩個透光扇區和兩個不透光扇區；而第三層碼道的透光扇區和不透光扇區就各有四個。內置式感應頭體積小，適用于小安裝空間，并采用高保護等級設計，可使用于惡劣環境，在工業用場合可避免一般光學式環境污染的敏感性，增加系統長期穩定性。

　　磁編碼器由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環形通、暗的刻線，有光電發射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差，將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩定信號；另每轉輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別磁編碼器的正轉與反轉，通過零位脈沖，可獲得的零位參考位。磁編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩定性就要比玻璃的差一個數量級，塑料碼盤是經濟型的。